鋰離子電池作為一種高效的儲能技術(shù),能夠充分地實現(xiàn)對風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芎统毕艿惹鍧嵖稍偕茉吹霓D(zhuǎn)換、存儲和運輸,在保護環(huán)境的同時能夠幫助解決日益嚴(yán)重的全球能源短缺問題。因此發(fā)展具有較高能量密度和功率密度的鋰離子電池儲能體系具有重要意義。尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn_2O_4正極材料具有工作電位(4 V vs.Li~+/Li)較高,理論比容量高(148 mAh g~(-1)),成本低廉,環(huán)境友好,以及鋰離子三維擴散通道等突出優(yōu)點,是一類理想的鋰離子電池正極材料。然而LiMn_2O_4電極的循環(huán)性能較差,在高溫條件下,容量衰減現(xiàn)象更為明顯,限制了LiMn_2O_4正極材料的實際應(yīng)用。本論文針對上述問題,在LiMn_2O_4材料的合成過程進(jìn)行優(yōu)化,利用離子摻雜和表面包覆手段對LiMn_2O_4進(jìn)行改性研究,旨在獲得電化學(xué)性能優(yōu)異的LiMn_2O_4正極材料。具體的研究內(nèi)容如下:(1)利用優(yōu)化的燒結(jié)工藝制備LiMn_2O_4材料。通過采用雙階段燒結(jié)工藝,即先經(jīng)過600℃預(yù)燒結(jié)后升溫至700℃燒結(jié)10 h,制備得到的LiMn_2O_4樣品結(jié)晶完整,顆粒尺寸為亞微米級,大小均一,電化學(xué)性能優(yōu)異。在0.5C的電流密度下首周放電比容量為125.2 mAh g~(-1),常溫循環(huán)200圈之后容量保持率為84%,其電化學(xué)性能優(yōu)于單階段10 h燒結(jié)所制備的LiMn_2O_4樣品。(2)采用Nb~(5+)與Li~+對LiMn_2O_4材料進(jìn)行共摻雜改性研究。通過制備不同比例Nb和Li摻雜的Li_(1+x)Mn_(2-y)Nb_yO_4(x=0,0.05,0.10,0.15;y=0,0.01,0.02,0.03,0.04),發(fā)現(xiàn)隨著Nb摻雜量的增加,LiMn_2O_4樣品的顆粒尺寸逐漸增大,表面變得更加光滑平整,與電解液的接觸變小,錳的溶解得到抑制,循環(huán)穩(wěn)定性得到改善;Li摻雜能夠進(jìn)一步提高電極材料的可逆容量。在Nb和Li摻雜量分別為0.03和0.05時,制備的Li_(1.05)Mn_(1.97)Nb_(0.03)O_4樣品的電化學(xué)性能最佳。Li_(1.05)Mn_(1.97)Nb_(0.03)O_4電極在常溫25℃時以75 mA g~(-1)(0.5C)的電流密度循環(huán)100圈,容量保持率為94.9%,在高溫55℃條件下循環(huán)100圈,容量保持率為84%,相較于未摻雜LiMn_2O_4均有顯著提高。同時,Li_(1.05)Mn_(1.97)Nb_(0.03)O_4材料展現(xiàn)出優(yōu)良的倍率性能,在750 mA g~(-1)(5C)、1500 mA g~(-1)(10C)的電流密度下分別具有90 mAh g~(-1)和50 mAh g~(-1)的放電比容量。(3)表面活性劑輔助Al_2O_3包覆LiMn_2O_4材料改性研究。針對常規(guī)液相包覆法難以在LiMn_2O_4表面形成均一完整包覆層這一問題,本研究利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)表面化學(xué)鍵對金屬離子的吸附作用成功制備得到Al_2O_3均勻包覆的LiMn_2O_4復(fù)合材料(LiMn_2O_4@Al_2O_3(PVP))。電化學(xué)測試表明,LiMn_2O_4@Al_2O_3(PVP)常溫25℃條件下,以75 mA g~(-1)(0.5C)電流密度循環(huán)200圈,容量保持率為93.8%,高溫55℃下循環(huán)100圈容量保持率為87.4%,相較于LiMn_2O_4和未添加PVP的LiMn_2O_4@Al_2O_3,循環(huán)性能有較大提升。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM912;O614.111
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文(1) X 射線衍射(XRD)將不同溫度燒結(jié)得到的三種產(chǎn)物做 X 射線衍射測試，測試角度為 10-80°，掃描速度 10°min-1，測試結(jié)果如圖 3-1 所示。通過 XRD 表征結(jié)構(gòu)并與標(biāo)準(zhǔn)卡片進(jìn)行對比，可以看出不同溫度 10 h 燒結(jié)所得三種產(chǎn)物所有衍射峰的位置和相對強度均能與標(biāo)準(zhǔn)的 LiMn2O4立方晶系相（JCPDS Card no. 35-0782）中的（111），（311），（222），（400），（331），（511），（440），（531），（533），（622）晶面相對應(yīng)，說明球磨產(chǎn)物通過固相法高溫?zé)Y(jié)均能得到單一相的 LiMn2O4材料。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文下燒結(jié) 10 h 所得 LiMn2O4的 SEM 照片。由 SEM 圖像可以觀察到三種溫度燒結(jié)所得樣品都為不規(guī)則的顆粒狀結(jié)構(gòu)，且棱角分明，都有明顯團聚發(fā)生。材料顆粒尺寸大小不一，大顆粒尺寸分布在幾個微米到十幾微米之間，大顆粒的表面附有幾百納米或幾個微米尺寸的小顆粒。樣品尺寸較大可能會導(dǎo)致顆粒內(nèi)部的鋰離子在充放電的過程之中遷移到表面的路徑過長，鋰離子在充放電過程中不能快速有效地進(jìn)行可逆脫嵌，從而影響材料的電化學(xué)性能；同時顆粒尺寸較大與電解液的接觸面積減少，不利于電解液的浸潤。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文電曲線。其中 700 ℃燒結(jié) 10 h 所制備 LiMn2O4組裝的半電池不能夠進(jìn)行循環(huán)充放（所以未能作圖顯示）。從圖中可以看出 800 ℃燒結(jié) 10 h 所得到的 LiMn2O4在 0.5C 的電流密度下首周的放電比容量為 58 mAh g-1，遠(yuǎn)小于 LiMn2O4的理論容量 148 mAh g-1，且?guī)靷愋蕵O低，僅為 67%，這是由于存在大量 Li+的不可逆脫嵌造成的，且充放電曲線極化較大，未能出現(xiàn)明顯的 LiMn2O4充放電特征平臺。900 ℃燒結(jié) 10 h 所得LiMn2O4，首周放電比容量接近 90 mAh g-1，庫倫效率為 73%，同樣存在大量 Li+的不可逆脫嵌。三種不同溫度燒結(jié) 10 h 所得到的 LiMn2O4樣品的充放電比容量皆不理想。
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 申晨;王懷國;;我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展概況[J];新材料產(chǎn)業(yè);2019年09期

2 周曉吉;劉婷婷;;鋰離子電池隔膜材料的制備及其研究進(jìn)展[J];電池工業(yè);2019年05期

3 晏婷婷;郭小明;;廢舊鋰離子電池回收處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J];江西化工;2018年06期

4 楊杰;王婷;杜春雨;閔凡奇;呂桃林;張熠霄;晏莉琴;解晶瑩;尹鴿平;;鋰離子電池模型研究綜述[J];儲能科學(xué)與技術(shù);2019年01期

5 高飛;朱艷麗;齊創(chuàng);王松岑;楊凱;;鋰離子電池安全事故激源淺析[J];電源技術(shù);2019年03期

6 黃兵;;高電壓鋰離子電池組充電模式改造方案——鋰離子電池管理研究之二[J];中國金屬通報;2018年12期

7 黃紅軍;張曉雪;;回收廢舊鋰離子電池中有價組分的研究現(xiàn)狀[J];電源技術(shù);2019年04期

8 蘇芳;李相哲;徐祖宏;;新一代動力鋰離子電池研究進(jìn)展[J];電源技術(shù);2019年05期

9 丁奉;劉玉媛;宋固;;鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展及船舶應(yīng)用研究[J];船舶物資與市場;2019年08期

10 林虹;曹開顏;;2018年我國鋰離子電池市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];電池工業(yè);2019年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 黃保軍;鋰離子電池陽離子無序巖鹽結(jié)構(gòu)正極材料的研究[D];中國地質(zhì)大學(xué);2019年

2 饒江宇;硅錫基線狀電極及纖維型鋰離子電池設(shè)計、制備和電化學(xué)性能研究[D];華中科技大學(xué);2019年

3 吳若飛;三維自組裝高性能鋰離子電池電極材料研究[D];上海交通大學(xué);2017年

4 陳馳;鋰離子電池鈦基負(fù)極材料鈦酸鋅鋰的合成及其改性研究[D];天津大學(xué);2017年

5 楊川寧;鋰離子電池石墨烯基復(fù)合負(fù)極材料的合成及電化學(xué)性能研究[D];東北大學(xué);2017年

6 朱佩佩;過渡金屬磷化物制備及其在電化學(xué)儲能領(lǐng)域的應(yīng)用[D];南昌大學(xué);2019年

7 張俊超;鋰離子電池外殼鋁合金的顯微組織與性能研究[D];上海交通大學(xué);2016年

8 陳丁瓊;鋰離子電池硅/碳負(fù)極材料的研究[D];廈門大學(xué);2017年

9 劉倩倩;鋰離子電池負(fù)極析鋰機制及抑制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

10 李俊夫;鋰離子電池?zé)狁詈虾喕谝辉砟Ｐ图癝OC估計[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 張小慧;鋰離子電池富鋰正極材料的表面改性研究[D];湘潭大學(xué);2019年

2 胡欽;中空核殼結(jié)構(gòu)鐵氧化物/碳納米復(fù)合材料的制備及在鋰離子電池中的應(yīng)用[D];揚州大學(xué);2019年

3 高銘;碳包覆過渡金屬氧化物/磷化物的制備與儲鋰性能研究[D];湘潭大學(xué);2019年

4 李彩生;充放電條件下硅碳電極原位變形觀測及力-化耦合機理分析[D];湘潭大學(xué);2019年

5 張義;鋰離子電池?zé)o序富鋰正極材料的制備與改性研究[D];湘潭大學(xué);2019年

6 張鵬宇;硅@碳復(fù)合材料在高性能鋰離子電池中的應(yīng)用[D];湘潭大學(xué);2019年

7 朱成勇;動力鋰離子電池SOC與SOH估算方法研究[D];重慶郵電大學(xué);2019年

8 李玲;鋰離子電池耐高溫PVDF-HFP基復(fù)合隔膜的制備與性能研究[D];湘潭大學(xué);2019年

9 張爽;鋰離子電池正極用基于聚苯胺和聚吡咯的PTC電極研究[D];湘潭大學(xué);2019年

10 唐瀟;碳基-過渡金屬硫/硒化物復(fù)合材料的合成及其在鋰離子電池中的應(yīng)用[D];揚州大學(xué);2019年

本文編號：2858651